The electricity powering the lights in this theater was generated just moments ago. Because the way things stand today, electricity demand must be in constant balance with electricity supply. If in the time that it took me to walk out here on this stage, some tens of megawatts of wind power stopped pouring into the grid, the difference would have to be made up from other generators immediately. But coal plants, nuclear plants can't respond fast enough. A giant battery could. With a giant battery, we'd be able to address the problem of intermittency that prevents wind and solar from contributing to the grid in the same way that coal, gas and nuclear do today.
L'électricité qui alimente les lumières de ce théâtre a été générée il y a à peine quelques instants. Parce que telles que les choses sont aujourd'hui, la demande d'électricité doit être en équilibre constant avec l'approvisionnement en électricité. Si dans le temps qu'il m'a fallu pour venir sur cette scène, quelques dizaines de mégawatts d'énergie éolienne arrêtaient de se déverser dans le réseau, la différence devrait être compensée immédiatement par d'autres générateurs. Mais les centrales au charbon, les centrales nucléaires ne peuvent pas répondre assez vite. Une batterie géante le pourrait. Avec une batterie géante, nous serions en mesure de résoudre le problème de l'intermittence qui empêche le vent et l'énergie solaire de contribuer au réseau de la même manière que le charbon, le gaz et le nucléaire aujourd'hui.
You see, the battery is the key enabling device here. With it, we could draw electricity from the sun even when the sun doesn't shine. And that changes everything. Because then renewables such as wind and solar come out from the wings, here to center stage. Today I want to tell you about such a device. It's called the liquid metal battery. It's a new form of energy storage that I invented at MIT along with a team of my students and post-docs.
Vous voyez, la batterie est l'appareil activateur clé ici. Avec elle, nous pourrions tirer de l'électricité du soleil même quand le soleil ne brille pas. Et cela change tout. Parce qu'alors les énergies renouvelables, comme l'énergie éolienne et solaire sortent des ailes, pour venir ici au centre de la scène. Aujourd'hui, je veux vous parler d'un tel appareil. C'est ce qu'on appelle la batterie métal liquide. C'est une nouvelle forme de stockage de l'énergie que j'ai inventé au MIT avec une équipe de mes étudiants et post-doctorants.
Now the theme of this year's TED Conference is Full Spectrum. The OED defines spectrum as "The entire range of wavelengths of electromagnetic radiation, from the longest radio waves to the shortest gamma rays of which the range of visible light is only a small part." So I'm not here today only to tell you how my team at MIT has drawn out of nature a solution to one of the world's great problems. I want to go full spectrum and tell you how, in the process of developing this new technology, we've uncovered some surprising heterodoxies that can serve as lessons for innovation, ideas worth spreading. And you know, if we're going to get this country out of its current energy situation, we can't just conserve our way out; we can't just drill our way out; we can't bomb our way out. We're going to do it the old-fashioned American way, we're going to invent our way out, working together.
Le thème de TED cette année est Full Spectrum, [tout le spectre]. Le Dictionnaire Oxford définit spectre comme «L'ensemble des longueurs d'onde d'un rayonnement électromagnétique, depuis les ondes radio les plus longues aux rayons gamma les plus courts dont la plage de lumière visible n'est qu'une petite partie. » Donc, je ne suis pas ici aujourd'hui que pour vous dire comment mon équipe au MIT a tiré de la nature une solution à l'un des grands problèmes du monde. Je veux parcourir tout le spectre et vous dire comment, dans le processus de développement de cette nouvelle technologie, nous avons découvert quelques hétérodoxies surprenantes qui peuvent servir de leçons pour l'innovation, des idées qui méritent d'être partagées. Et vous le savez, si nous devons sortir ce pays de sa situation énergétique actuelle, nous ne pouvons pas nous en sortir sans changement ; nous ne pouvons pas nous en sortir en forant ; nous ne pouvons pas nous en sortir à coups de bombes. Nous allons le faire à la bonne vielle manière américaine, nous allons nous en sortir en inventant, en travaillant ensemble.
(Applause)
(Applaudissements)
Now let's get started. The battery was invented about 200 years ago by a professor, Alessandro Volta, at the University of Padua in Italy. His invention gave birth to a new field of science, electrochemistry, and new technologies such as electroplating. Perhaps overlooked, Volta's invention of the battery for the first time also demonstrated the utility of a professor. (Laughter) Until Volta, nobody could imagine a professor could be of any use.
Maintenant, commençons. La batterie a été inventée il y a 200 ans par un professeur, Alessandro Volta, à l'Université de Padoue en Italie. Son invention a donné naissance à un nouveau domaine scientifique, l'électrochimie, et les nouvelles technologies telles que la galvanoplastie. Peut-être négligée, l'invention de la pile par Volta pour la première fois a aussi démontré l'utilité d'un professeur. (Rires) Jusqu'à Volta, personne ne pouvait imaginer qu'un professeur pouvait être d'une utilité quelconque.
Here's the first battery -- a stack of coins, zinc and silver, separated by cardboard soaked in brine. This is the starting point for designing a battery -- two electrodes, in this case metals of different composition, and an electrolyte, in this case salt dissolved in water. The science is that simple. Admittedly, I've left out a few details.
Voici la première batterie - une pile de pièces de monnaie, de zinc et d'argent, séparées par du carton trempé dans de la saumure. C'est le point de départ pour la conception d'une batterie - deux électrodes, dans le cas présent des métaux de composition différente, et un électrolyte, dans le cas présent le sel dissous dans l'eau. La science est aussi simple que cela. Certes, j'ai laissé de côté quelques détails.
Now I've taught you that battery science is straightforward and the need for grid-level storage is compelling, but the fact is that today there is simply no battery technology capable of meeting the demanding performance requirements of the grid -- namely uncommonly high power, long service lifetime and super-low cost. We need to think about the problem differently. We need to think big, we need to think cheap.
Maintenant, je vous ai enseigné que la science de la batterie est simple et la nécessité de stockage au niveau du réseau est convaincante, mais le fait est qu'aujourd'hui, il n'y a tout simplement pas de technologie des batteries capable de répondre aux exigences de performance du réseau - à savoir une énergie anormalement élevée, une durée de vie longue et un coût ultra-faible. Nous devons réfléchir au problème différemment. Nous devons penser grand, nous devons penser bon marché.
So let's abandon the paradigm of let's search for the coolest chemistry and then hopefully we'll chase down the cost curve by just making lots and lots of product. Instead, let's invent to the price point of the electricity market. So that means that certain parts of the periodic table are axiomatically off-limits. This battery needs to be made out of earth-abundant elements. I say, if you want to make something dirt cheap, make it out of dirt -- (Laughter) preferably dirt that's locally sourced. And we need to be able to build this thing using simple manufacturing techniques and factories that don't cost us a fortune.
Donc, abandonnons l'idée de chercher la chimie la plus cool et puis d'espérer faire baisser les coûts en faisant simplement des tas et des tas de produits. Au lieu de cela, inventons au niveau de prix du marché de l'électricité. Cela signifie donc que certaines parties de la table périodique sont axiomatiquement hors-limites. Cette batterie doit être faite à partir d'éléments abondants sur terre. Je dis que si vous voulez faire quelque chose de vraiment pas cher, prenez de la terre pour le faire -- (Rires) de préférence de la poussière qui est d'origine locale. Et nous devons être en mesure de construire ce truc en utilisant des techniques de fabrication simples et des usines qui ne nous coûtent pas une fortune.
So about six years ago, I started thinking about this problem. And in order to adopt a fresh perspective, I sought inspiration from beyond the field of electricity storage. In fact, I looked to a technology that neither stores nor generates electricity, but instead consumes electricity, huge amounts of it. I'm talking about the production of aluminum. The process was invented in 1886 by a couple of 22-year-olds -- Hall in the United States and Heroult in France. And just a few short years following their discovery, aluminum changed from a precious metal costing as much as silver to a common structural material.
Donc, il y a environ six ans, j'ai commencé à réfléchir à ce problème. Et afin d'adopter une nouvelle perspective, j'ai cherché l'inspiration au-delà du domaine du stockage de l'électricité. En fait, je me suis tourné vers une technologie qui ne stocke pas et ne génère pas d'électricité, mais au lieu de ça consomme de l'électricité, en quantités énormes. Je parle de la production d'aluminium. Le procédé a été inventé en 1886 par deux hommes de 22 ans - Hall aux États-Unis et Héroult en France. Et à peine quelques années après leur découverte, l'aluminium est passé du statut de métal précieux coûtant aussi cher que l'argent à celui d'un matériau ordinaire.
You're looking at the cell house of a modern aluminum smelter. It's about 50 feet wide and recedes about half a mile -- row after row of cells that, inside, resemble Volta's battery, with three important differences. Volta's battery works at room temperature. It's fitted with solid electrodes and an electrolyte that's a solution of salt and water. The Hall-Heroult cell operates at high temperature, a temperature high enough that the aluminum metal product is liquid. The electrolyte is not a solution of salt and water, but rather salt that's melted. It's this combination of liquid metal, molten salt and high temperature that allows us to send high current through this thing. Today, we can produce virgin metal from ore at a cost of less than 50 cents a pound. That's the economic miracle of modern electrometallurgy.
Vous avez devant vous là la halle d'électrolyse d'une aluminerie moderne. Elle mesure environ 15 mètres de large et s'étend sur environ 800 mètres - rangée après rangée de cellules qui, à l'intérieur, ressemble à la pile de Volta, avec trois différences importantes. La pile de Volta fonctionne à température ambiante. Elle est munie d'électrodes solides et d'un électrolyte qui est une solution saline. La cellule de Hall-Héroult fonctionne à haute température, une température suffisamment élevée pour que le produit de l'aluminium métallique soit liquide. L'électrolyte n'est pas une solution saline, mais plutôt du sel fondu. C'est cette combinaison de métal liquide, de sel fondu et la température élevée qui nous permet d'envoyer du courant élevée à travers cette chose. Aujourd'hui, nous pouvons produire du métal vierge à partir du minerai à un coût inférieur à 50 cents la livre. C'est le miracle économique de l'électrométallurgie moderne.
It is this that caught and held my attention to the point that I became obsessed with inventing a battery that could capture this gigantic economy of scale. And I did. I made the battery all liquid -- liquid metals for both electrodes and a molten salt for the electrolyte. I'll show you how. So I put low-density liquid metal at the top, put a high-density liquid metal at the bottom, and molten salt in between.
C'est ce qui a attiré et retenu mon attention au point qu'inventer une batterie capable de capturer cette économie d'échelle gigantesque est devenue pour moi une obsession. Et je l'ai fait. J'ai fait une batterie entièrement liquide - des métaux liquides pour les deux électrodes et un sel fondu pour l'électrolyte. Je vais vous montrer comment. Donc, j'ai mis du métal liquide de faible densité dans la partie supérieure, un métal liquide à haute densité au fond, et le sel fondu entre les deux.
So now, how to choose the metals? For me, the design exercise always begins here with the periodic table, enunciated by another professor, Dimitri Mendeleyev. Everything we know is made of some combination of what you see depicted here. And that includes our own bodies. I recall the very moment one day when I was searching for a pair of metals that would meet the constraints of earth abundance, different, opposite density and high mutual reactivity. I felt the thrill of realization when I knew I'd come upon the answer. Magnesium for the top layer. And antimony for the bottom layer. You know, I've got to tell you, one of the greatest benefits of being a professor: colored chalk.
Alors maintenant, comment choisir les métaux ? Pour moi, l'exercice de conception commence toujours ici avec la classification périodique, énoncée par un autre professeur, Dimitri Mendeleïev. Tout ce que nous savons est constitué d'une combinaison de ce que vous voyez représenté ici. Et cela inclut notre propre corps. Je me souviens du moment où un jour quand j'étais à la recherche d'une paire de métaux qui répondrait aux contraintes de l'abondance sur terre, de densité différente et opposée, et d'une grande réactivité mutuelle. J'ai ressenti le frisson de la réalisation quand j'ai su que j'avais trouvé la réponse. Le magnésium pour la couche supérieure. Et l'antimoine pour la couche inférieure. Vous savez, je dois vous dire, un des plus grands avantages d'être un professeur: la craie de couleur.
(Laughter)
(Rires)
So to produce current, magnesium loses two electrons to become magnesium ion, which then migrates across the electrolyte, accepts two electrons from the antimony, and then mixes with it to form an alloy. The electrons go to work in the real world out here, powering our devices. Now to charge the battery, we connect a source of electricity. It could be something like a wind farm. And then we reverse the current. And this forces magnesium to de-alloy and return to the upper electrode, restoring the initial constitution of the battery. And the current passing between the electrodes generates enough heat to keep it at temperature.
Donc, pour produire du courant, le magnésium perd deux électrons pour devenir ion magnésium, qui migre ensuite à travers l'électrolyte, accepte deux électrons de l'antimoine, et se mélange ensuite avec lui pour former un alliage. Les électrons se mettent au travail dans le monde réel ici, et alimentent nos appareils. Maintenant, pour charger la batterie, nous connectons une source d'électricité. Ce pourrait être quelque chose comme un parc éolien. Et puis, nous inversons le courant. Et cela contrait le magnésium à quitter l'alliage et à revenir à l'électrode supérieure, ce qui restaure la constitution initiale de la batterie. Et le courant qui passe entre les électrodes génère suffisamment de chaleur pour le garder à la température.
It's pretty cool, at least in theory. But does it really work? So what to do next? We go to the laboratory. Now do I hire seasoned professionals? No, I hire a student and mentor him, teach him how to think about the problem, to see it from my perspective and then turn him loose. This is that student, David Bradwell, who, in this image, appears to be wondering if this thing will ever work. What I didn't tell David at the time was I myself wasn't convinced it would work.
C'est plutôt cool, du moins en théorie. Mais ça marche vraiment ? Alors, que faire ensuite? Nous allons au laboratoire. Maintenant est-ce que j'embauche des professionnels chevronnés ? Non, j'embauche un étudiant et je l'épaule, je lui apprends à réfléchir au problème, à le voir de mon point de vue puis je le laisse faire. C'est lui l'étudiant, David Bradwell, qui, dans cette image, semble se demander si cette chose fonctionnera un jour. Ce que je n'ai pas dit David à l'époque c'est que je n'étais moi-même pas convaincu que cela fonctionnerait.
But David's young and he's smart and he wants a Ph.D., and he proceeds to build -- (Laughter) He proceeds to build the first ever liquid metal battery of this chemistry. And based on David's initial promising results, which were paid with seed funds at MIT, I was able to attract major research funding from the private sector and the federal government. And that allowed me to expand my group to 20 people, a mix of graduate students, post-docs and even some undergraduates.
Mais David est jeune et il est intelligent et il veut un doctorat, et il procède à la construction - (Rires) Il procède à la construction de la première batterie en métal liquide de cette chimie. Et sur la base des premiers résultats prometteurs de David, qui ont été payés avec des fonds d'amorçage au MIT, J'ai pu attirer des fonds de recherche majeurs du secteur privé et du gouvernement fédéral. Et ce qui m'a permis d'élargir mon groupe à 20 personnes, un mélange d'étudiants diplômés, de post-doctorants et même des étudiants de premier cycle.
And I was able to attract really, really good people, people who share my passion for science and service to society, not science and service for career building. And if you ask these people why they work on liquid metal battery, their answer would hearken back to President Kennedy's remarks at Rice University in 1962 when he said -- and I'm taking liberties here -- "We choose to work on grid-level storage, not because it is easy, but because it is hard."
Et j'ai pu attirer des gens vraiment, vraiment bons, des gens qui partagent ma passion pour la science et le service à la société, pas pour la science et le service pour le développement de carrière. Et si vous demandez à ces gens pourquoi ils travaillent sur la batterie en métal liquide, leur réponse ferait écho aux remarques du Président Kennedy à l'Université Rice en 1962 quand il a dit - et je prends des libertés ici - « Nous avons choisi de travailler sur le réseau au niveau de stockage, non pas parce que c'est facile, mais parce que c'est dur. »
(Applause)
(Applaudissements)
So this is the evolution of the liquid metal battery. We start here with our workhorse one watt-hour cell. I called it the shotglass. We've operated over 400 of these, perfecting their performance with a plurality of chemistries -- not just magnesium and antimony. Along the way we scaled up to the 20 watt-hour cell. I call it the hockey puck. And we got the same remarkable results. And then it was onto the saucer. That's 200 watt-hours. The technology was proving itself to be robust and scalable. But the pace wasn't fast enough for us. So a year and a half ago, David and I, along with another research staff-member, formed a company to accelerate the rate of progress and the race to manufacture product.
C'est donc l'évolution de la batterie en métal liquide. Nous commençons ici avec notre pile d'un wattheure. Je l'ai appelé le petit verre. Nous en avons exploité plus de 400, en perfectionnant leurs performances avec une pluralité de chimies - pas seulement du magnésium et de l'antimoine. Au fil du temps nous sommes passés à la pile de 20 watts-heure. C'est ce que j'appelle le palet de hockey. Et nous avons obtenu les mêmes résultats remarquables. Et puis, il était sur la soucoupe. C'est 200 wattheures. La technologie s'est avérée être robuste et adaptable. Mais le rythme n'était pas assez rapide pour nous. Donc, il y a un an et demi, David et moi, avec un autre membre du personnel de recherche, nous avons formé une société pour accélérer le rythme des progrès et la course pour fabriquer un produit.
So today at LMBC, we're building cells 16 inches in diameter with a capacity of one kilowatt-hour -- 1,000 times the capacity of that initial shotglass cell. We call that the pizza. And then we've got a four kilowatt-hour cell on the horizon. It's going to be 36 inches in diameter. We call that the bistro table, but it's not ready yet for prime-time viewing. And one variant of the technology has us stacking these bistro tabletops into modules, aggregating the modules into a giant battery that fits in a 40-foot shipping container for placement in the field. And this has a nameplate capacity of two megawatt-hours -- two million watt-hours. That's enough energy to meet the daily electrical needs of 200 American households. So here you have it, grid-level storage: silent, emissions-free, no moving parts, remotely controlled, designed to the market price point without subsidy.
Donc, aujourd'hui, au LMBC, nous construisons des cellules de 41 cm de diamètre d'une capacité de un kilowattheure - 1000 fois la capacité de cette cellule petit verre initiale. Nous l'appelons la pizza. Et puis nous avons une cellule de quatre kilowattheures en préparation. Elle fera 91 cm de diamètre. Nous l'appelons la table de bistro, mais elle n'est pas encore prête à montrer au public. Et une variante de la technologie nous fait empiler ces plateaux de bistrot en modules, agréger les modules en une pile géante qui entre dans un conteneur d'expédition de 12 mètres pour le placement sur le terrain. Et cela a une capacité nominale de deux mégawatts-heures - deux millions de watts-heures. C'est assez d'énergie pour répondre aux besoins quotidiens électriques de 200 ménages américains. Alors là, vous l'avez, le stockage au niveau du réseau : silencieux, sans émissions, pas de pièces mobiles, télécommandé, conçu pour le prix de refernce sur le marché sans subvention.
So what have we learned from all this? (Applause) So what have we learned from all this? Let me share with you some of the surprises, the heterodoxies. They lie beyond the visible. Temperature: Conventional wisdom says set it low, at or near room temperature, and then install a control system to keep it there. Avoid thermal runaway. Liquid metal battery is designed to operate at elevated temperature with minimum regulation. Our battery can handle the very high temperature rises that come from current surges. Scaling: Conventional wisdom says reduce cost by producing many. Liquid metal battery is designed to reduce cost by producing fewer, but they'll be larger. And finally, human resources: Conventional wisdom says hire battery experts, seasoned professionals, who can draw upon their vast experience and knowledge. To develop liquid metal battery, I hired students and post-docs and mentored them. In a battery, I strive to maximize electrical potential; when mentoring, I strive to maximize human potential. So you see, the liquid metal battery story is more than an account of inventing technology, it's a blueprint for inventing inventors, full-spectrum.
Alors qu'avons-nous appris de tout cela? (Applaudissements) Alors qu'avons-nous appris de tout cela? Permettez-moi de partager avec vous quelques-unes des surprises, des hétérodoxies. Elles se trouvent au-delà du visible. Température : La sagesse conventionnelle dit de la régler à un niveau faible. à ou près de la température ambiante, puis installer un système de contrôle pour la maintenir. Eviter l'emballement thermique. La batterie de métal liquide est conçue pour fonctionner à une température élevée avec une régulation minimale. Notre batterie peut gérer les hausses très importantes de température qui viennent des surtensions. Changement d'échelle : La sagesse conventionnelle dit de réduire les coûts en produisant en grand nombre. La batterie métal liquide est conçue pour réduire les coûts en produisant moins, mais elles seront plus grandes. Et enfin, les ressources humaines : La sagesse conventionnelle dit d'engager des experts de la batterie, des professionnels chevronnés, qui peuvent tirer parti de leurs vastes expérience et connaissances. Pour développer la batterie en métal liquide, j'ai embauché des étudiants et des post-doctorants et les ai encadrés. Dans une batterie, je m'efforce de maximiser le potentiel électrique; quand j'encadre, je m'efforce de maximiser le potentiel humain. Donc, vous voyez, l'histoire de la batterie de métal liquide est plus qu'un compte-rendu sur l'invention d'une technologie, c'est un plan pour inventer les inventeurs, à spectre complet.
(Applause)
(Applaudissements)